MEMS电容式加速度计虚拟仿真实验

2011年工信部发布的《物联网“十二五”发展规划》明确提出要重点支持智能传感器、基于MEMS的传感器等关键设备的研制；2012年国务院发布的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》明确提出要推进微机电系统(MEMS)、智能传感器、新型电力电子器件装备等产业化；在2014年，国务院发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》中明确提出，要大力发展微机电系统(MEMS)等特色专用工艺生产线，增强芯片制造综合能力；由此可见，MEMS传感器芯片具有低成本、低功耗、小体积、高精度、寿命长等特点是未来传感器的发展方向。其中微机电（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）加速度计已经成为无处不在的传感器，其应用面之广，覆盖了从国防到民用基础设施等各个领域，涉及各种小尺寸、低功耗和高性能应用。

目前MEMS传感器的教学只能停留在书面教学层面，且普遍反映其内容“门楼太高”，主要是MEMS传感器设计难度大，结构复杂，制作工艺设备价格昂贵且对环境要求非常苛刻，校准试验受到场地及安全限制等实验教学的难题，因此只有通过虚拟仿真实验，才能把这一高新技术内容引进实验课堂，使学生在4学时内深入了解传感器从结构设计、制作工艺、电路设计到成品的每个环节与最终的传感器静动态特性指标之间的关系，掌握知识节点中某些较难理解的概念、原理等，激发学生学习兴趣，提高学生认知和分析推理能力，实现理论与实践良好结合的目的。

本课程根据《传感器原理及应用》，测试技术课程大纲以及知识点的要求，结合MEMS传感器的军民两用的需求，从MEMS传感器的基本原理，结构设计与加工工艺，测控电路，标定与数据处理等各阶段开展了虚拟仿真实验，以传感器设计指标为任务导向，开展自主容错探究式虚拟仿真实验，使学生仅在4学时内深入了解传感器从设计到成品的每个环节与最终的传感器静动态特性指标之间的关系，激发学生学习兴趣，提高学生认知和分析推理能力，实现理论与实践良好结合的目的。

（1）ＭＥＭＳ电容式加速度计原理认识

以分解部件的形式展示ＭＥＭＳ电容式加速度计的过程，建立学生对ＭＥＭＳ传感器过程的全面认知和理解，并为下一步传感器的设计实验和整机标定实验奠定基础

（2）传感器结构设计，加工工艺设计实验

通过引导学生自主设计传感器的结构，以及加工工艺流程，使同学们掌握ＭＥＭＳ传感器的质量－弹簧－阻尼结构特点以及光刻、薄膜沉积、掺杂、刻蚀（湿法刻蚀和干法刻蚀）等关键工艺问题，为将来各类MEMS设计与制作打下基础。

（3）传感器测控电路设计

通过总体任务和分项任务，设计与实现传感器的微弱信号调制、滤波等功能，实现高仿真度的电路调试过程。引导学生根据电路的性能参数或曲线分析设计的调理电路是否满足任务要求，强化学生们的电路设计的能力。

（4）传感器标定与应用示例

学生通过在离心机，振动台等在虚拟仿真平台进行整机实验，获得自己设计的传感器灵敏度，线性度，重复性等指标，让学生们理解传感器的静动态特性的实验过程及要求。同时把设计的传感器应用到实际的工作背景中，使学生通过探究思考，分析在该应用过程中传感器需要在哪些方面进行性能优化，提高分析问题及解决问题的能力。

传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱，传感器技术优劣成为衡量一个国家科技水平和是否处在国际战略竞争制高点的重要标志，是发达国家高度重视和争相发展的核心基础技术。针对MEMS传感器内部结构复杂，制作工艺设备价格昂贵且对环境要求非常苛刻，校准试验受到场地及安全限制等实验教学的难题，团队以相关科研和教学成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则，为《传感器原理与应用》课程自主研发了MEMS电容式加速度传感器虚拟实验项目。

首先，坚持以学生为中心的教学理念，实验方案采用了问题导向的设计方法，实验情景吸引力强，有利于调动学生的学习兴趣和积极性。

第二，本实验通过环环相扣的4个实验环节，将知识学习和能力提升有机融合，引导学生通过容错探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式。

第三，本实验的挑战度高，实验知识点源于课堂，但实验内容来源于MEMS传感器设计和加工工艺领域的前沿，实验从基本原理，结构设计与加工工艺，测控电路，校准及数据处理等几个方面引导学生完成传感器设计的全周期过程。在实验前，学生需要通过本实验提供的“在线知识角”，对相关领域的知识进行学习。

第四，本实验将立德树人融入教学全过程。当前在中美贸易战愈演愈烈的背景下，国内电子元器件尤其是MEMS器件对进口依赖严重，MEMS传感器设计与关键加工工艺已成为“卡脖子”技术，本课程在培养传感器芯片研发与传感器芯片产业人才的基础上，引导学生积极投身到祖国的建设中来实现爱国之举、强国之梦。

（1）专业与年级要求

本实验属于南京理工大学大学学科课程《传感器原理及应用》，兼顾《测试技术》、《新型传感器》等学科课程，课程面向全校工科专业大三至大四的学生任选。、

（2）基本知识和能力要求

由于MEMS传感器是机电和信息高度交叉融合的科技前沿，因此本课程的教学内容是跨专业、跨学科、跨能力范畴的交叉融合。本课程的先修课包括《传感器原理及应用》、《测试技术》、《新型传感器》等。

学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构包括：

要求学生初步了解传感器的基本原理及分类。

要求学生掌握基本的传感器测控电路。

在实际教学中，本实验不仅应用于《传感器原理及应用》课程，相关实验环节还应用于团队开设的上述先修课程的实验教学。值得一提的是，由于本项目的知识角提供了大量文献、视频学习资料，因而上述先修课程的学生通过自主学习，也都能较好的完成本实验所有环节的实验任务。